Nær-infrarød til mid-infrarød, justerbar laservalgplan

Denne artikkelen tar sikte på å diskutere noen vurderinger og programforslag når du velger nær-infrarøde til mid-infrarøde lyskilder. Denne artikkelen introduserer og sammenligner hovedsakelig de fire hovedkategoriene optiske parametriske oscillatorer (OPO), optiske parametriske forsterkere (OPA), kvantekaskadelasere og superkontinuum lyskilder.

1. Ulike spektralområdedefinisjoner

Generelt sett, når folk snakker om infrarøde lyskilder, refererer de til lys med vakuumbølgelengder større enn ~700–800 nm (den øvre grensen for det synlige bølgelengdeområdet).

Den nedre grensen for spesifikk bølgelengde er ikke klart definert i denne beskrivelsen fordi det menneskelige øyets oppfatning av infrarød sakte avtar i stedet for å avskjæres ved en klippe.

For eksempel er responsen av lys ved 700 nm til det menneskelige øyet allerede veldig lav, men hvis lyset er sterkt nok, kan det menneskelige øyet til og med se lyset som sendes ut av noen laserdioder med bølgelengder som overstiger 750 nm, noe som også gjør infrarødt lasere en sikkerhetsrisiko. --Selv om det ikke er veldig lyst for det menneskelige øyet, kan dets faktiske kraft være veldig høy.

På samme måte, som det nedre grenseområdet til den infrarøde lyskilden (700~800 nm), er det øvre grensedefinisjonsområdet for den infrarøde lyskilden også usikkert. Generelt sett er det ca 1 mm.

Her er noen vanlige definisjoner av det infrarøde båndet:

——Nær-infrarødt spektralområde (også kalt IR-A), rekkevidde ~750-1400 nm.
Lasere som sendes ut i dette bølgelengdeområdet er utsatt for støy og sikkerhetsproblemer for menneskelige øyne, fordi fokuseringsfunksjonen for det menneskelige øye er kompatibel med nær-infrarøde og synlige lysområdene, slik at den nær-infrarøde båndlyskilden kan overføres og fokuseres til sensitiv netthinnen på samme måte, men det nær-infrarøde båndlyset Utløser ikke den beskyttende blinkrefleksen. Som et resultat blir det menneskelige øyes netthinnen skadet av overdreven energi på grunn av ufølsomhet. Derfor, når du bruker lyskilder i dette båndet, må full oppmerksomhet rettes mot øyebeskyttelse.

——Kort bølgelengde infrarødt (SWIR, IR-B) område fra 1.4-3 μm.
Dette området er relativt trygt for øynene fordi dette lyset absorberes av øyet før det når netthinnen. For eksempel opererer erbium-dopet fiberforsterkere som brukes i fiberoptisk kommunikasjon i denne regionen.
——Mid-wave infrared (MWIR) rekkevidde er 3-8 μm.
Atmosfæren viser sterk absorpsjon i deler av regionen; mange atmosfæriske gasser vil ha absorpsjonslinjer i dette båndet, slik som karbondioksid (CO2) og vanndamp (H2O). Også fordi mange gasser viser sterk absorpsjon i dette båndet. Sterke absorpsjonsegenskaper gjør at dette spektrale området er mye brukt for gassdeteksjon i atmosfæren.

——Langbølge infrarød (LWIR) rekkevidde er 8-15 μm.
——Neste er fjerninfrarød (FIR), som varierer fra 15 μm-1 mm (men det er også definisjoner som starter fra 50 μm, se ISO 20473). Denne spektrale regionen brukes først og fremst til termisk avbildning.
Denne artikkelen tar sikte på å diskutere utvalget av bredbåndsavstembare bølgelengdelasere med nær-infrarøde til middels-infrarøde lyskilder, som kan inkludere kortbølgelengden ovenfor (SWIR, IR-B, fra 1,4-3 μm) og en del av den infrarøde mellombølgen (MWIR, rekkevidde er 3-8 μm).

2. Typisk applikasjon

En typisk anvendelse av lyskilder i dette båndet er identifisering av laserabsorpsjonsspektra i sporgasser (f.eks. fjernmåling i medisinsk diagnose og miljøovervåking). Her utnytter analysen de sterke og karakteristiske absorpsjonsbåndene til mange molekyler i det midt-infrarøde spektralområdet, som fungerer som "molekylære fingeravtrykk". Selv om man også kan studere noen av disse molekylene gjennom pan-absorpsjonslinjer i det nær-infrarøde området, siden nær-infrarøde laserkilder er lettere å forberede, er det fordeler med å bruke sterke fundamentale absorpsjonslinjer i det midt-infrarøde området med høyere følsomhet .

Ved mellominfrarød bildebehandling brukes også lyskilder i dette båndet. Folk utnytter vanligvis det faktum at mellominfrarødt lys kan trenge dypere inn i materialer og har mindre spredning. For eksempel, i tilsvarende hyperspektrale avbildningsapplikasjoner, kan nær-infrarød til midt-infrarød gi spektral informasjon for hver piksel (eller voxel).

På grunn av den fortsatte utviklingen av mellominfrarøde laserkilder, som fiberlasere, blir ikke-metalliske lasermaterialebehandlingsapplikasjoner mer og mer praktiske. Vanligvis drar folk fordel av den sterke absorpsjonen av infrarødt lys av visse materialer, for eksempel polymerfilmer, for å selektivt fjerne materialer.

Et typisk tilfelle er at transparente ledende filmer av indiumtinnoksid (ITO) som brukes til elektroder i elektroniske og optoelektroniske enheter, må struktureres ved selektiv laserablasjon. Et annet eksempel er presis stripping av belegg på optiske fibre. Effektnivåene som kreves i dette båndet for slike applikasjoner er vanligvis mye lavere enn de som kreves for applikasjoner som laserskjæring.

Nær-infrarøde til mid-infrarøde lyskilder brukes også av militæret til retningsbestemte infrarøde mottiltak mot varmesøkende missiler. I tillegg til høyere utgangseffekt som er egnet for å blende infrarøde kameraer, kreves det også bred spektral dekning innenfor det atmosfæriske overføringsbåndet (rundt 3-4 μm og 8-13 μm) for å forhindre at enkle filtre med hakk beskytter infrarøde detektorer.

Det atmosfæriske overføringsvinduet beskrevet ovenfor kan også brukes til optisk kommunikasjon med fritt rom via retningsstråler, og kvantekaskadelasere brukes i mange applikasjoner for dette formålet.

I noen tilfeller kreves mid-infrarøde ultrakorte pulser. For eksempel kan man bruke mellominfrarøde frekvenskammer i laserspektroskopi, eller utnytte de høye toppintensitetene til ultrakorte pulser for lasering. Dette kan genereres med en moduslåst laser.

Spesielt for nær-infrarøde til middels-infrarøde lyskilder har noen applikasjoner spesielle krav til skanning av bølgelengder eller bølgelengdeavstemming, og nær-infrarøde til middels-infrarøde bølgelengdejusterbare lasere spiller også en ekstremt viktig rolle i disse applikasjonene.

For eksempel, i spektroskopi, er mid-infrarøde avstembare lasere essensielle verktøy, enten det gjelder gassregistrering, miljøovervåking eller kjemisk analyse. Forskere justerer bølgelengden til laseren for nøyaktig å plassere den i det midt-infrarøde området for å oppdage spesifikke molekylære absorpsjonslinjer. På denne måten kan de få detaljert informasjon om materiens sammensetning og egenskaper, som å knekke en kodebok full av hemmeligheter.

Innen medisinsk bildebehandling spiller også mid-infrarøde avstembare lasere en viktig rolle. De er mye brukt i ikke-invasiv diagnostikk og bildeteknologi. Ved å justere bølgelengden til laseren nøyaktig, kan middels infrarødt lys trenge inn i biologisk vev, noe som resulterer i høyoppløselige bilder. Dette er viktig for å oppdage og diagnostisere sykdommer og abnormiteter, som et magisk lys som titter inn i menneskekroppens indre hemmeligheter.

Forsvars- og sikkerhetsfeltet er også uatskillelig fra bruken av mid-infrarøde avstembare lasere. Disse laserne spiller en nøkkelrolle i infrarøde mottiltak, spesielt mot varmesøkende missiler. For eksempel kan Directional Infrared Countermeasures System (DIRCM) beskytte fly mot å bli sporet og angrepet av missiler. Ved å raskt justere bølgelengden til laseren, kan disse systemene forstyrre veiledningssystemet til innkommende missiler og umiddelbart snu slaget, som et magisk sverd som vokter himmelen.

Fjernmålingsteknologi er et viktig middel for å observere og overvåke jorden, der infrarøde avstembare lasere spiller en nøkkelrolle. Felt som miljøovervåking, atmosfærisk forskning og jordobservasjon er alle avhengige av bruken av disse laserne. Midt-infrarøde avstembare lasere gjør det mulig for forskere å måle spesifikke absorpsjonslinjer for gasser i atmosfæren, og gir verdifulle data for å hjelpe klimaforskning, forurensningsovervåking og værvarsling, som et magisk speil som kan se inn i naturens mysterier.

I industrielle omgivelser er mid-infrarøde avstembare lasere mye brukt for presisjonsmaterialbehandling. Ved å stille inn lasere til bølgelengder som er sterkt absorbert av visse materialer, muliggjør de selektiv ablasjon, skjæring eller sveising. Dette muliggjør presisjonsproduksjon innen områder som elektronikk, halvledere og mikromaskinering. Den mellom-infrarøde avstembare laseren er som en finpolert utskjæringskniv, som lar industrien skjære ut fint utskårne produkter og vise teknologiens glans.

3.Near-infrarød til mid-infrarød justerbare laserprodukttyper og utvalgsegenskaper

Mange teknologier kan produsere nær-infrarøde til mid-infrarøde lasere, for eksempel ulike typer blysaltlasere basert på tidlige ternære blyforbindelser eller kvaternære forbindelser, samt vanlige dopede isolatormasselasere, forskjellige fiberlasere og karbondioksidgasslasere. Vent, her fokuserer vi på flere laserprinsippteknologier og produkter som kan stilles inn i et bredt spekter av bølgelengder fra nær-infrarød til mid-infrarød.

①Optiske parametriske oscillatorer, forsterkere og generatorer (OPO og OPA)

I et ikke-lineært frekvenskonverteringssystem kan en nær-infrarød laser, pumpe optisk parametrisk oscillator (OPO), forsterker (OPA) eller generator (OPG) brukes til å generere tomgangslys i det midt-infrarøde spektralområdet, for eksempel:
I nanosekund OPO midt-infrarøde lasere kan Q-svitsjede lasere brukes som pumpekilder. Vanlige krystallinske materialer som brukes til slike applikasjoner er sinkgermaniumfosfid (ZGP, ZnGeP2), sølvgalliumsulfid og -selenid (AgGaS2, AgGaSe2), galliumselenid (GaSe) og kadmiumselenid (CdSe).
Siden mange av disse materialene er ugjennomsiktige i 1 μm-regionen, er det ofte nødvendig å bruke OPO-er i serie: den første OPO-en konverterer 1 μm-laserstrålingen til en lengre bølgelengde, som deretter brukes til å pumpe den faktiske midt-infrarøde OPO. Sistnevntes signal og tomgangsfrekvens kan begge være i det midt-infrarøde spektrumområdet.
Den 1064 nm moduslåste pikosekund Nd:YVO4-laseren kan også brukes til å synkront pumpe OPO- og LiNbO3-krystaller, slik at tomgangslyseffekten kan nå 4 μm eller til og med 4,5 μm. Bølgelengdebegrensningen er hovedsakelig overlegen i forhold til økende lysabsorpsjon ved lange bølgelengder. Derfor har OPOer basert på dette prinsippet vanligvis et resonanssignal. En slik enhet kan lett generere pulser med energi i titalls millijoule. Utgangsbølgelengden kan justeres over hundrevis av nanometer.

②CWOPO

Sammenlignet med pulseksitasjonen til generell OPO, tilbyr nyere CWOPO-teknologiprodukter mellominfrarøde lasere basert på følgende rammeverk:

1) DFB fiberlasere og forsterkere;

2) DFB fiberlaserkontroll;

3) OPO optisk del og kontroll;
Denne typen produkt kan gi kontinuerlig justerbar utgangsbølgelengde i det midt-infrarøde området på 1435-4138 nm (6969-2416 cm-1). Samtidig, sammenlignet med puls OPO, kan denne typen produkter gi utmerket linjebredde. (<100 MHz). This makes it possible for such products to be optimized in applications such as infrared calibration and spectral analysis.

③ Kvantekaskadelaser

Kvantekaskadelasere er en relativt ny utviklingsretning innen halvlederlasere.

Forskjellen mellom kvantekaskadelasere og tidlige mid-infrarøde halvlederlasere basert på overganger mellom bånd er at de fungerer basert på overganger mellom underbånd.

Dette gjør det mulig for kvantekaskadelasere å konstruere detaljene i halvlederlagstrukturen slik at overgangsfotonenergien (og derfor bølgelengden) kan varieres over et bredt område. I tillegg kan noen viktige bølgelengdeinnstillingsområder (noen ganger overstiger 10 % av den sentrale bølgelengden) også dekkes gjennom eksterne hulromsenheter.

Selv om kryogen kjøling for tiden er nødvendig for å oppnå optimal ytelse, kan mange kvantekaskadelasere fortsatt brukes ved romtemperatur, selv kontinuerlig. Kvantekaskadelasere kan også brukes til å generere pulserende lasere med pulstider til og med godt under 1 ns, selv om toppeffekten er ganske begrenset.

Når det gjelder kraft, selv om utgangseffekten kan nå 1 W gjennom optimalisering, er utgangseffekten til denne typen laser fortsatt lavere enn for vanlige infrarøde lasere. Fordi, innen kvantekaskadelasere, som hovedsakelig brukes i spektroskopi, er kvantekaskadelasere begrenset til overganger med lavere fononenergi.

Her er noen vanlige parametere og typer:
CW-DFB laserrør 800 cm-1-2320 cm-1
Pulserende DFB laserrør 700 cm-1-2350 cm-1
Nedkjølt DFB laserrør 645 cm-1-2370 cm-1

OPO (optisk parametrisk oscillator) og kvantekaskade er to ofte brukte teknologier i generering av middels infrarød laser, og de har noen betydelige applikasjonsforskjeller.

OPO (Optical Parametric Oscillator, optisk parametrisk oscillator):

OPO er en ikke-lineær optisk enhet som bruker parametriske prosesser i ikke-lineære optiske krystaller eller optiske fibre for å generere nye bølgelengder, inkludert det midt-infrarøde båndet. OPO eksiterer parametriske oscillasjoner gjennom en pumpelyskilde, der ikke-lineære materialer i oscillatoren deler opp pumpelyset i signallys og hjelpelys. Signallysets bølgelengde kan stilles inn i det mellom-infrarøde området, mens hjelpelyset fungerer som tilbakemelding til pumpens lyskilde. OPO har høy konverteringseffektivitet og bredt frekvensinnstillingsområde, så det er mye brukt i forskning og applikasjoner med middels infrarød laser.

Applikasjonsforskjell: OPO er egnet for applikasjoner som krever frekvensjustering. Ved å justere frekvensen til pumpelyset eller fasetilpasningsforholdene til den ikke-lineære krystallen, kan kontinuerlig avstembar laserutgang oppnås i det mellom-infrarøde området. OPO kan brukes i spektralanalyse, gassdeteksjon, biomedisinsk avbildning og andre felt, og er spesielt egnet for applikasjoner som krever høyfølsomhetsanalyse eller mikroskopisk avbildning i det midt-infrarøde båndet.

Quantum Cascade:

Kvantekaskadelaseren er en laser basert på en halvledersupergitterstruktur som genererer midt-infrarødt laserlys gjennom en kvantekaskadeprosess. I en kvantekaskadelaser frigjør elektroner energi gjennom en trinn-for-trinn overgangsprosess mellom flere energibånd, og produserer kontinuerlig avstembar midt-infrarød stråling.

Applikasjonsforskjeller: Kvantekaskadelasere har høyere effekt og smalere spektral linjebredde, og er egnet for høyoppløselig spektralmåling, lidar, infrarød avbildning og andre felt. Kvantekaskadelasere kan også fungere i høytemperaturmiljøer, så de er egnet for applikasjoner som krever mellominfrarøde lasere under tøffe forhold, som industriell inspeksjon, miljøovervåking, etc.

For å oppsummere brukes OPO hovedsakelig for applikasjoner med høyfrekvent tunbarhet, mens kvantekaskadelasere er mer egnet for høy effekt, smal linjebredde og høy temperatur.

Den spesifikke sammenligningen av parameterverdiforskjeller varierer etter produktmodell og produsent. Følgende er eksempler på noen vanlige parametersammenligninger:

—— Frekvensavstemming:

OPO: Kontinuerlig innstillbar mid-infrarød laserutgang kan oppnås, med et frekvensområde vanligvis fra hundrevis av megahertz til flere gigahertz eller bredere.

Kvantekaskade: Frekvensinnstillingsområdet er relativt smalt, vanligvis titalls til hundrevis av megahertz eller smalere.

——Utgangseffekt og effektivitet:

OPO: Utgangseffekten er vanligvis i området fra flere hundre milliwatt til flere watt, og konverteringseffektiviteten kan nå mer enn 10%.

Kvantekaskade: Utgangseffekten er vanligvis i området fra titalls til hundrevis av milliwatt, og konverteringseffektiviteten kan nå mer enn 20 %.

——Spektral linjebredde:

OPO: Den spektrale linjebredden er smal, vanligvis i området fra flere gigahertz til titalls megahertz.

Kvantekaskade: Den spektrale linjebredden er relativt bred, vanligvis i området fra titalls gigahertz til hundrevis av megahertz.

--Driftstemperatur:

OPO: Det må vanligvis fungere ved en mer stabil romtemperatur eller nær romtemperatur.

Kvantekaskade: Kan fungere ved høyere driftstemperaturer, vanligvis over romtemperatur, til og med opptil titalls grader Celsius.

Det skal bemerkes at disse verdiene kun er for generell referanse og representerer ikke de spesifikke parameterne for alle kommersielle produkter. Faktiske parametere avhenger av produktmodell, teknologiske fremskritt og produsentens design- og ytelseskrav. Når du velger et spesifikt kommersielt produkt, er det best å referere til produktspesifikasjonsarket og teknisk dokumentasjon levert av produsenten for nøyaktig parameterinformasjon.

④Supercontinuum lyskilde

Det er noen lyskilder basert på superkontinuumgenerering som spenner over en stor del av det midt-infrarøde båndet. En slik lyskilde kan fungere basert på visse mid-infrarøde optiske fibre, gjennom hvilke intense lyspulser sendes for å skape sterke ikke-lineære interaksjoner.

Hvis det kreves justerbart lys med smal linjebredde, kan avstembare filtre brukes til å trekke ut de ønskede spektrale komponentene fra bredspektret lys. I noen tilfeller utnyttes hele spekteret. Et eksempel er optisk koherenstomografi (OCT). Denne prosessen utføres ofte ved kortere bølgelengdebånd. Imidlertid er fordelen med mellom-infrarødt lys i denne applikasjonen at mellom-infrarødt lys er mindre spredt. Sammenlignet med kortere bølgelengdebånd har den evnen til å trenge dypere inn.

Currently, the most popular commercial mid-infrared (mid-IR) light sources are optical parametric oscillators (OPOs) [1] and amplifiers (OPAs) [2], and quantum cascade lasers (QCLs) [3]. They have achieved very good performance and proven useful in many important applications. However, it should be noted that OPO/OPA are complex, susceptible to vibration, require frequent maintenance, and are difficult to scale up. QCLs can cover a significant emission band of ~3.5–12 μm, but they emit low output power with limited tunability per laser output wavelength. This has led to the need to find new alternative solutions for these laser sources. In this context, high-power mid-infrared supercontinuum generators appear to be of great interest, mainly due to their unique properties, the most important of which are their broad spectrum spanning thousands of nanometers, high spectral power density (>1 mW/nm), den har bredere båndbredde, høyere romlig koherens, retning og lysstyrke enn tradisjonelle lasere.

⑤Mikro midt-infrarød lyskilde

Det er for tiden mange forsøk på å utvikle fotoniske integrerte kretser for mid-infrarøde applikasjoner, for eksempel de som er basert på silisiumfotonikkplattformer. Dessverre er det ikke lett å implementere en mellominfrarød lyskilde på en brikke, noe som har ført til forskning på mange mulige metoder. Et eksempel er integrering av lyskilder på andre halvledere, og selv om dette byr på tekniske vanskeligheter, er det også eksempler som involverer flip-chip bonding-teknologi. En annen mulighet er å integrere sorte legeme-emittere (→ termisk stråling) eller selvlysende materialer, selv om dette ikke resulterer i romlig koherent stråling.

Det finnes andre metoder basert på ikke-lineær frekvenskonvertering, som bruker Kerr-ulinearitet for firebølgemiksing eller stimulert Raman-spredning. Og ved å bruke mikroresonatorer kan det også genereres frekvenskammer.

i tillegg

Følgende er noen mid-infrarøde lyskilder som brukes sjeldnere. Fordi de ikke er mye brukt, vil de ikke bli diskutert i for mye detalj her, for eksempel frie elektronlasere og frekvensdoblede CO₂-lasere.

Basert på ovenstående er følgende en referanse for sammenligning og valg av ulike lasertyper: